Очевидным способом создания моновинтовых электронных пучков в осевом магнитном поле является применение высоковольтных трех-четырех электродных пушек, ось которых расположена под углом к оси прибора (аналогично конструкции, предложенной в [3]). Такое решение позволяет управлять током электронного пучка и радиусом стационарной спиральной орбиты в осевом магнитном поле пространства взаимодействия. Эта система, однако, усложняет конструкцию иувеличиваетгабариты гироприбора.

2.2 Электродинамическая система

Электродинамическая система гироприбора выполняется с учетом следующих основных положений:

-Схема построения системы определяется типом разрабатываемого гироприбора (гиротрон, гиро-клистрон, гироЛОВ, гиро-ЛБВ, гиро-твистрон). Тип гироприбора определяет характер волны (бегущая, стоячая) в отдельных секцияхисоответственнопараметрынагрузокнаихторцах.

-Выбор рабочего типа колебаний базируется на анализе характеристик взаимодействия с винтовым электронным пучком с целью достижения требуемых энергетических и диапазонных характеристик при обеспечении когерентности, одночастотности выходного сигнала. В частности, это означает, что важнейшей задачей является селекция типов колебаний для подавления взаимодействия на паразитных частотах, попадающихвполосу циклотронногорезонанса.

-Поперечные размеры секций выбираются для обеспечения возбуждениярабочеготипаволныиприэтом, вбольшинстве случаев, рабочая частота прибора близка к критической час-

тотеволновода ωс, накоторомпостроенасекция. Какпоказано в гл. 1, при таком решении повышается эффективность азимутальной группировки электронов на винтовых траекториях пучка, увеличивается КПД, облегчается подавление паразитныхтиповколебаний.

-Требуемая величина добротности резонаторов рабочего типа колебаний, при прочих равных условиях, определяется степенью согласования на их торцах. При работе вблизи

критической частоты ωс практически полное рассогласование достигается при малом изменении поперечных размеров волноводной секции. В реальных конструкциях такое изменение выполняется плавным, для устранения возможности преобразования рабочего типа колебаний в паразитные. Максимальная добротность резонатора имеет место на частоте близкой к критической, т.е. для рабочего типа колебаний, и падает при увеличении резонансной частоты, соответствующейпаразитнымколебаниям.

-При работе вблизи критической частоты волны типа ТЕmqp продольный индекс p колебаний в резонаторе выбирается, как правило, равным 1, при котором длина волны в резонаторе максимальна Λ=2L. Селекция типов колебаний по продольному индексу достигается благодаря тому, что увеличение p приводит к значительному увеличению частоты паразитного типа ω = ωc [1+p2(λc/2L)2]1/2 и к резкому уменьшению добротности. В результате уменьшается амплитуда паразитного типа колебаний и возрастает пусковойтоксамовозбуждения.

-Для достижения максимальных энергетических характеристик гироприборов профиль их резонаторов оптимизируется – смотри 1.2.1.2. При этом возможно применение двухсекционного резонатора, с отличающимися размерами секций на входе – для достижения наиболее эффективной группировки и на выходе – для достижения максимального КПД.

-Применение двухсекционных резонаторов оказывается эффективным и для селекции рабочих типов колебаний в гироприборах, работающих на гармониках циклотронной частоты. Решением может явиться построение

резонаторов типа СРТМ – связанные резонаторы с трансформацией мод (смотри 1.2.1.3)

В цилиндрическом резонаторе гироприбора винтовой электронный пучок отдает часть своей колебательной энергии одной из мод ТЕmqp. Обычно возбуждается наиболее высокодобротная мода с одной продольной вариацией поля TEmq1. Мода колебаний с продольным индексом p=1 характеризуются большей добротностью и менее чувствительна к разбросу скоростей электронов, поскольку из-за их большой фазовой скорости vф=π/pL влияние доплеровского уширения излучаемого спектра несущественно (смотри (2)). Высокая эффективность взаимодействия обеспечивается только при достаточно большой длине резонатора L=(4–12)λ [39]. Выбор рабочей моды и размеров резонатора Rр, L определяются соотношением, связывающим рабочую частоту ω, уровень выходной мощности Pвых и максимальную величину плотности омических потерь ρом [83]:

где χ≈1,5 – эмпирический коэффициент, δ– глубина скин– слоя, k=ω/c.

В резонаторе могут возбуждаться моды TEmq с различными величинами азимутальных и радиальных индексов (m, q). Нарисунке20 приведеныпоперечные сечения применяемых в гиротронах резонаторов и структуры ВЧ электрического поля различных мод колебаний. Высокочастотное поле в резонаторе располагается в области между радиусом каустики Rкаус и радиусом резонатора Rр. Область существования высокочастотного поля формируется лучами касательными к каустике,

радиус которой Rкаус=m/k. Моды колебаний с m=0 (Rкаус=0) – симметричные моды– имеютминимальные омические потери

инаходятприменениевгиротронахумеренноймощностиина низких частотах. В мощных гироприборах, у которых средний

радиус электронного пучка Rп>>λ коэффициент его связи с любой симметричной модой значительно меньше, чем с несимметричной модой, имеющей увеличенный радиус каустики. В таких приборах трубчатый пучок наилучшим образом связан с несимметричной модой, когда его радиус близок к радиусукаустики(Rп≈Rкаус).

Рис. 20

Поперечные сечения резонаторов и структуры высокочастотного электрического поля различных мод.

Достижение мегаваттных уровней мощности в длинноимпульсном и непрерывном режимах требует применения сверхразмерных резонаторов с применением мод колебаний с очень высокими азимутальными и радиальными индексами. Использование таких мод позволяет обеспечить отвод тепла с поверхности резонатора. В настоящее время очень высокие

моды ТЕ25.10, ТЕ28.8, ТЕ31.8 успешно используются в мегаваттных гиротронах [90]. Для моды ТЕ31.8 диаметр резонатора ра-

вен примерно 20 длинам волн. Проекты новых гиротронов предполагают еще более высокие рабочие моды. Один из путей увеличения порядка рабочей моды базируется на применении коаксиальной вставки в резонаторе, диаметр которой меньше диаметра каустики рабочей моды. Такая вставка со специальным профилем поверхности снижает дифракционную добротность некоторых мод более низкого порядка, имеющих меньший размер каустики. Применение таких вставок позволило продемонстрировать эффективную работу гиротронов на очень высоких модах ТЕ28.16, ТЕ31.17 (диаметр резонатораоколо30λ) [90].

Удельная мощность P/ S, рассеиваемая на поверхности резонатора с радиусом Rр и длиной Lр, с омической и дифракционной добротностями Qом, Qдиф соответственно определяетсясоотношением:

P/ S~Pвых(Qдиф/Qом)/(Rр Lр), Qом=(Rр/δ)(1–m2/νmp2), (22)

где kRр=νmq, k=2π/λ, νmq – соответствующий корень производной функции Бесселя, δ – глубина скин-слоя в материале стенки резонатора. При существующих технических решениях удельная мощность рассеяния P/ S составляет 2–3 кВт/см2. Учитывая, что типичные добротности Qдиф=1000–1500, Qом≈40 000, найдем, что величина мощности, рассеиваемой на стенках резонатора, составляет единицы процентов генерируемой мощности. Это соответствует десяткам кВт в мегаваттном гиротроне на частоте 170 ГГц. Необходимый теплоотвод со стенок резонатора с площадью 19 см2 требует интенсивногожидкостногоохлаждения.

Применение в мощных гиротронах сверхразмерных резонаторов, возбуждаемых на модах высокого порядка, приводит к необходимости решения сложных проблем, связанных с конкуренцией мод и необходимостью обеспечения эффективной и стабильной работы на выбранной рабочей моде. Известен ряд условий, выполнение которых необходимо для обеспеченияэффективнойселекциимодвгиротроне:

-колебания в резонаторах на частотах циклотронного ре-

зонанса возбуждаются только в полосе частот Δωр, определяемой временем пролета электронов через резонатор, обычноΔωр/ωр≤5%;

-возбуждаются только моды, критические частоты кото-

рыхнаходятсявпределахполосыΔωр; Приналичиибольшогочислапаразитныхмодсблизкими

критическими частотами возбуждение требуемой рабочей моды высокого порядка существенно усложнено. Сценарий возбуждения рабочей моды приобретает каскадный характер, ко-

ми наивысшей добротностью обладают моды TE1,q,1. Щелевой резонатор превращается в квазиоптический резонатор типа Фабри-Перо при ширине щелей в несколько длин волн. В гиротронах с такими резонаторами возможна плавная перестройка частоты при изменении расстояния между половинамирезонатора.

Рис. 21

Сценарий включения гиротрона с рабочей частотой 170ГГц и с рабочей

модой ТЕ25,10; тонкие кривые – зависимости стартовых токов для различных мод; жирная кривая – зависимость тока пучка I0(U0); пунктир-

ныекривые– зависимости КПД(U0) дляразличныхмод.

2.3Вывод СВЧ-мощности из пространства взаимодействия

Вгироприборах применяются два основных типа выводов мощности из пространства взаимодействия. В большинстве гироприборов относительно малой мощности применяется непосредственная связь выходного волновода с областью взаимодействия (смотри рис. 2). Для осуществления такой связи вводятся плавные изменения радиуса высокочастотной

системы, обеспечивающие необходимый коэффициент отражения для рабочего типа колебаний и переход к оптимальному размеру выходного волновода. Тип колебаний в области взаимодействия и в выходном волноводе один и тот же. При этом на выходе лампы для связи с прямоугольным волноводом вывода мощности применяется конвертор типов колебаний и необходимые согласующие устройства. Начальный участок выходного волновода, расположенный в области спада магнитной индукции, выполняет функции коллектора отработанных электронов. Успешно действующие гироприборы с уровнями мощности несколько сотен киловатт применяют рассмотренные"прямые" выводымощности

При увеличении мощности гиротронов возникают противоречия, связанные с совмещением коллектора и волновода вывода мощности. Для рассеяния значительной мощности электронного пучка необходимо увеличить диаметр выходного волновода, но для этого необходимо применить плавный переход большой длины для устранения возбуждения дополнительных мод колебаний. Общая длина гиротронного прибора, включающая систему теплосъема и магнитного размазывания электронов по поверхности коллектора, при этом существенно возрастает. В связи с этим в гироприборах с высоким уровнем мощности целесообразно разделить направления потоков СВЧ мощности и отработанных электронов. Обычно это реализуется при использовании внутреннего конвертора, который преобразует тип колебаний высокочастотной системы, распространяющийся вдоль оси, в поток энергии с Гауссовым распределением энергии в поперечном сечении (гауссов поток), распространяющийся перпендикулярно к оси прибора [91, 92].

В таких конструкциях вывода мощности геометрия коллектора не связана с требованиями к распределению магнитостатического поля в выходном волноводе. В результате оказывается возможным значительно сократить длину гиропри-

бора, снижаются напряженности электрического поля на вакуумплотных диэлектрических окнах вывода мощности, что увеличивает их надежность. Кроме того, гауссов поток мощности на выходе лампы может быть эффективно передан при помощи квазиоптической линии передачи, что значительно упрощает связь с удаленной полезной нагрузкой. Во всех известных современных гиротронах с большими мощностями – около мегаватта и более – используются выводы мощности с внутреннимиконверторами[47].

Развитие методов оптимизации конструкций внутренних квазиоптических конверторов, совершенствование технологии изготовления зеркал со сложными поверхностями, используемых в этих линиях, позволили увеличить КПД конверторов до 95% и более [93] Схема построения внутреннего квазиоптического конвертора приведена на рисунке 22. Квазиоптический преобразователь выполняет следующие основные функции: трансформирует рабочую моду резонатора в выходной волновой пучок с высоким содержанием выбранной моды внешней линии передачи (гауссов волновой пучок, волна типа ТЕ11); разводит внутри вакуумного баллона электронный и волновой пучки, что позволяет решать проблемы коллектора и выходного вакуумплотного окна независимо.

Создание эффективных конверторов потребовало существенного снижения дифракционных потерь в его открытой квазиоптической линии (до 3–5%), что достигнуто применением специального волноводного перехода, формирующего локализованный пучок, отражающийся от стенок волновода и применением зеркальных корректоров сложной формы для оптимизации структуры волнового пучка как внутри гиротрона, так и после прохождения вакуумного окна.

Известны и другие методы построения выводов мощности, в которых потоки СВЧ мощности и отработан-

ных электронов разделены. Наиболее часто применяется связь с волноводом вывода мощности непосредственно через боковую стенку резонатора [94]. Этот метод подобен тому, который используется в классических клистронах, однако, в гироприборах он ограничен областью низких частот при использовании рабочих типов колебаний ТЕmq с малыми радиальными и азимутальными индексами.

Рис. 22

Схемамощногогиротронас встроеннымпреобразователемрабочеймодывволновой пучок.

Аналогичные методы применяются для вводов мощности в гироусилителях. В большинстве случаев первый каскад усилителей выполняется на моде с малыми величинами m, q, что упрощает согласование с волноводом ввода мощности прямоугольного сечения.